不同阴影条件对光伏电池串联模组输出性能的影响

邹佳朴, 翟 涵, 吴子华, 谢华清

(1. 上海第二工业大学 环境与材料工程学院,上海201209;2. 南京理工大学 能源与动力工程学院,南京210094)

0 引言

光伏电池是一种通过光生伏特效应将光能转化为电能的半导体薄片,其凭借材料来源广泛,材料易获得,运行稳定、无污染,制作成本相对较低等优点,目前在清洁能源市场上占主导地位[1-2]。光伏电池的输出性能主要受材料性能、工作温度及光照条件影响,其中光照条件是影响电池输出性能的重要因素[3-4]。目前常用的硅太阳能电池由于自身材料特性,其组件在受到局部阴影遮挡时会出现光伏电池阴影效应,导致电池输出功率明显下降[5],且被遮挡的电池片会产生额外焦耳热,在一定条件下出现热斑现象[6-8]。该现象将进一步降低硅太阳能电池的效率并缩短其工作寿命,严重时会不可逆地损坏光伏电池组件并引发光伏系统火灾[9]。因此在实际工作过程中,考虑到电池阴影等因素的影响,太阳能实际转换效率还要下降20%左右[10]。数据表明,现有电池板效率或使用寿命每提升1%,整体上都能带来约1 GW 的能量增加,相当于每天能节省60 t 标准煤。因此, 研究阴影对光伏电池的影响规律至关重要,且具有潜在的商业价值[11-13]。

光伏组件在运行时,天气变化和环境中的遮蔽物产生都会造成光伏电池组件表面出现阴影[14],通常天气的改变产生的整体阴影会降低太阳能电池的总体入射光强,使得光伏电池的输出性能随着光强下降而降低,且降低程度与光强存在一定比例关系[15-16],而由环境中遮蔽物在电池表面产生的局部阴影则会造成光伏阴影效应,明显影响光伏电池模组的输出性能[17]。相关研究表明,自然条件下光伏电池表面产生的阴影具有不同阴影面积和阴影分布,会对电池组件输出性能产生不同影响[18-20], 其中阴影面积是影响光伏电池片的输出性能的重要因素。Guti´errez 等[21]运用光伏电池简化电路等效模型,通过数值计算研究了不同面积阴影对太阳能电池组件输出性能的影响,计算结果表明,增大阴影覆盖率会显著改变太阳能电池组件的I-V曲线,使得电池片最大输出电流降低从而降低电池片的最大输出功率。Nguyen 等[22]运用一种基于自适应重构方案的分析方法,重点研究了电池板最大输出功率与光伏电池阵列每列遮挡面积的关系,实验结果表明,光伏电池阵列中串联构成的每一列被10%面积占比阴影遮挡时,会出现电流失配现象,最大输出功率下降90%。除阴影面积外, 阴影在光伏电池表面分布是另一项影响光伏电池输出性能的因素,研究表明,阴影分布对电池片的影响与电池片连接方式和受阴影遮挡电池片在电池模组中电路的位置有关。例如Lappalainen 等[23]通过MATLAB/Simulink 建模计算研究了相同阴影分布条件下,不同内部电池连接方式的电池组件性能的变化,计算结果表明,3种不同连接方式有着不同的电池功率损耗,其中串联最多的连接方式损耗最大。Zhu 等[24]运用了介电参数理论计算方法,对以串联形式构成的光伏电池组件进行了不同阴影分布遮挡模拟计算实验,实验结果表明,存在两种不同阴影分布情况,电池组件功率参数下降比率相近。Kazem 等[25]研究了不同阴影条件对由串并联模组构成光伏组件性能与温度的影响,结果表明,相对于并联模组而言,阴影遮挡会造成串联模组输出电压明显下降与温度上升。因此,阴影分布对电池模组的影响不能单纯理解为阴影在电池模组表面的位置变化造成的影响,应归结为阴影条件下电池模组自身电路构成与受遮挡电池片在电池模组电路中位置对电池模组的影响。

基于以上分析可以得出,不同阴影条件会对光伏电池组件产生不同的影响,且光伏组件中串联模组是造成阴影效应的主要部分。然而, 目前相关研究主要集中在对光伏组件进行输出性能变化分析,缺乏对光伏电池阴影效应作用下,电池模组中内部电流分配的变化与其作用机理的研究。基于此, 本文对光伏串联模组进行了阴影实验,并结合光伏电池等效电路进行了相关物理机制分析。

1 实验设计

1.1 实验测试系统

实验测试系统如图1 所示,该系统主要仪器与部件包括单晶硅太阳能电池、太阳光模拟器、标准电阻、标准尺寸遮挡物与数据采集装置。实验定制了性能稳定的商用单晶硅太阳能电池作为实验对象,由同一片电池切割而成,性能相当。将其与标准电阻(阻值1 Ω)连接构成工作电路, 并对电池的输出电流与温度分布进行测试从而研究光伏电池阴影效应。光伏电池的光源由太阳光模拟器提供, 太阳光模拟器型号为Sirius-SS150A-L,能为电池模组提供稳定的模拟太阳光源,以确保实验数据的稳定性。实验使用的遮挡物由电火花自走式线切割机制成, 具有较高的尺寸精度, 用来覆盖在电池表面设置好的薄膜上以制造尺寸确定的阴影,以便于后期数据分析。数据采集器的型号为Agilent34970A,测量误差不超过0.1%,将数据采集器与电池模组与标准电阻构成的电路连接,能实时测量电池模组的输出电流。

图1 实验测试系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental testing system

1.2 测试方法

实验测试使用的光伏电池串联模组如图2 所示,模组由两块性能接近的光伏电池片构成,其中光伏电池A 与B 串联连接, 光伏电池B 的负极与标准电阻连接,光伏电池A 的正极与数据采集器连接,模组中电流方向为光伏电池B 流向光伏电池A。实验中分别使用了小面积遮挡物和大面积遮挡物对光伏电池片进行遮挡,单个遮挡物占整个串联模组总面积的比率分别为7.4%和18.1%,分别设计了8 种不同的遮挡条件进行实验,遮挡方式如图3 所示,不同遮挡方式下的遮挡比率如表1 所示。实验通过将标准尺寸的遮挡物覆盖在电池片表面的方式来产生电池表面局部阴影条件,对光伏电池模组在不同阴影条件下电池电压的变化与模组电流的变化进行测试,来研究不同阴影条件对光伏电池模组性能的影响。先将电池模组与标准电阻和数据采集器连接构成测试电路,打开太阳光模拟器并运行数据采集器对光伏电池输出电流进行测量; 待电池输出电流稳定后, 开始以每6 s 记录一个数据点的形式记录光伏电池片的输出电流与电池模组中不同电池的电压;30 s 后采用不同的遮挡方式将遮挡物放置在太阳能电池片表面的薄膜上,并继续记录数据30 s。文献[26-27]中表明, 在光照条件稳定时段如正午12:00～1:00 时段,光伏电池输出功率变化很小,数值稳定。由于室内太阳光模拟器能持续提供稳定的光源,因此将测试时间设定为60 s,在确保实验数据准确的同时提高实验效率。

图2 光伏电池串联模组示意图Fig.2 Schematic diagram of photovoltaic series module

图3 不同遮挡方式示意图Fig.3 Schematic diagrams of different shading mode

表1 不同遮挡方式与遮挡比率Tab.1 Different shading ratio under different shading mode

2 实验结果与分析

2.1 不同遮挡条件下电池模组输出电流的变化

电池模组受不同阴影遮挡时, 输出电流的变化如图4 所示。由图4(a) 可见, 电池模组在未被遮挡时输出电流为96.3 mA, 在被小面积遮挡A片、B 片(遮挡比率7.4%) 和同时遮挡A、B 两片(遮挡比率14.8%)时,输出电流分别降为86.9、82.3和82.5 mA,下降比率分别为9.8%、14.5%、14.3%。大面积遮挡时, A4、A5 条件下遮挡比率为18.1%,A6 条件下遮挡比率为36.2%, 上述情况下输出电流分别变为66.3、62.9、63.4 mA, 下降比率分别为31.2%、34.7%、34.2%。通过实验数据可以看出,在对串联模组中的不同电池片进行单片遮挡时,不同遮挡面积条件下,输出电流下降比率总高于电池片的遮挡比率。并且,遮挡B 片较遮挡A 片输出电流下降比率更大,且大面积遮挡较小面积遮挡不同电池片的差异更小。此外, 不同情况下等面积遮挡双片的结果基本与单片遮挡B 片的结果一致,但双片等面积遮挡时输出电流的下降比率与遮挡比率相当。在使用不同面积遮挡双片时, 电池模组输出电流变化情况与大面积遮挡电池的对比如图4(c) 所示。在使用大面积和小面积遮挡物时,A7、A8 遮挡方式下电池模组电流分别为65.8 和63.1 mA,电流下降程度近似于遮挡方式A4、A5;通过数据对比分析可以得出,在不同面积遮挡电池模组中两片电池时,电池模组电流下降程度相当于较大面积的阴影的一侧单片遮挡时的电流值。

图4 不同遮挡条件下光伏电池模组输出电流 (a)小面积遮挡(A1,A2,A3);(b)大面积遮挡(A4,A5,A6);(c)不同面积多片遮挡(A7,A8)与大面积遮挡(A4,A5)对比Fig.4 Output current of photovoltaic series module under different shadow conditions (a)small area shading(A1,A2,A3);(b)large area shading(A4,A5,A6);(c)comparison of different areas multichip shading(A7,A8)and large area shading(A4,A5)

2.2 不同阴影条件下电池模组中电池片电压的变化

不同阴影条件下电池模组中电池片电压的变化如图5 所示。图5(a)为不同遮挡条件下,光伏电池A电压变化情况, 从图中可以看出, 在A1、A4、A7遮挡条件下, 光伏电池A 的电压由57.2 mV 分别变为-72.5、-206.6、-161.4 mV, 下降比率为226.7%、461.2%、382.2%。由此可见光伏电池A 的电压明显下降且变为负值,即出现了电压反偏的情况。反偏电压的出现势必会降低光伏电池模组的输出性能,造成光伏电池功率损失[28],进而导致额外的光伏电池输出电流的下降。而A2、A5、A8 遮挡条件下,光伏电池A 出现了电压升高的现象,电压值由57.2 mV 分别升高到231.8、351.7、316.1 mV,升高比率为305.2%、514.9%、452.6%。A3 和A6 遮挡条件下, 光伏电池A 相较于其他遮挡情况有略微提升, 电压分别为60.7 和63.5 mV, 分别升高了6.1%、11.0%。图5(b) 为不同遮挡条件下, 光伏电池B 电压变化情况,与光伏电池A 的电压变化相反,A1、A4、A7 遮挡条件下, 光伏电池B 的电压明显升高, 由44.1 mV 升高至174.5、308.9、263.6 mV,升高比率为295.7%、600.5%、497.7%。而在A2、A5、A8 的遮挡条件下, 光伏电池B 的电压下降至-130.1、-249.4、-214.8 mV, 下降比率为395.0%、665.5%、587.1%,均明显高于A1、A4、A7条件时A 片的电压下降比率,产生了更多的功率损失,造成单片遮挡B 片较遮挡A 片时, 模组的输出电流更小。A3 与A6 条件下,电池电压相较于其他遮挡情况稍有下降。结合以上实验数据, 可以得出阴影遮挡电池模组中单片时会导致遮挡后的电池片电压降低, 未遮挡的电池片电压升高。不同面积双片遮挡时也会出现类似于单片遮挡的情形,而相同面积遮挡模组内两片电池则电压变化不大。这表明电压变化的原因取决于电池模组中各电池有效工作面积的差别。

图5 模组内部电池片两端电压 (a)光伏电池A;(b)光伏电池BFig.5 Voltage of cells in module (a) photovoltaic cell A; (b)photovoltaic cell B

2.3 实验结果分析

以上实验数据可以通过光伏电池Rsh等效电路来进行分析[29],Rsh模型作为Rs模型[30]的改进型,在电路模型中增加了代表电池内部损耗的并联电阻,具有更高的泛用性,适用于光伏电池阴影效应的研究分析。该等效电路模型包含一个电流源、一个与电流源串联的电阻、一个与电流源并联的电阻和二极管。该模型等效电路图如图6 所示,其中IP为光伏电池光生电流;Io为流过等效二极管的电流;Ih为流过等效并联电阻的电流;I为光伏电池输出电流;Rsh和Rs分别为等效并联电阻和串联电阻。

图6 光伏电池Rsh 等效电路图Fig.6 Rsh equivalent circuit of photovoltaic cell

通过以上输出电压和电池电压实验数据,并结合Rsh模型与基尔霍夫电流定律,可以得到该串联电池模组的等效电路图与内部电流流向与分布情况如图7 所示。

图7(a)为电池模组未被遮挡或相同面积同时遮挡(A3, A6)时光伏电池模组等效电路与电流方向,其中不同电池内部电路电流流向相同,不会出现反偏电压与功率损失。图7(b)为A2、A5 和A8 情况下该模组的等效电路,由于此时电池B 具有更低的有效工作面积,电池B 的光生电流相对于电池降低,电池B 的输出电流IB1小于电池A 的输出电流IA1,相当于出现了两个不同电流源串联的情况。为满足基尔霍夫电流定律,即流入电池B 中的电流IA2与流出电流IB2一致,IA2的一部分电流会分流到电池B 的等效并联电阻上,IhB1方向发生改变,从而造成额外的功率损失与电压反偏的现象。同时, A 电池产生的电流会分流更多到其等效并联模组上,使得IhA2增大进而导致电池A 两端的电压升高。图7(c)显示了A1、A4 和A7 情况下该电池模组的等效电路,分析方式与图7(b)类似,为平衡电流,IhA2电流变向,导致电池A 出现反偏电压;IhB2增大,导致电池B 电压上升。

图7 不同条件下串联电池模组等效电路图 (a)未被遮挡或A3、A6 遮挡条件;(b)A2、A5、A8 遮挡条件;(c)A1、A4、A7遮挡条件Fig.7 Equivalent circuit diagrams of photovoltaic series module under different conditions (a)not covered or covered as A3,A6;(b)covered as A2,A5,A8;(c)covered as A1,A4,A7

3 结论

本文通过对光伏电池模组进行相关阴影遮挡实验,分析了不同阴影情况对光伏电池输出性能的影响,并结合光伏电池等效电路,探寻了阴影对光伏串联模组造成影响的成因,结论如下:

(1)串联模组在单片遮挡条件下,遮挡面积越大,光伏电池输出电流下降越多,且下降比率均明显大于阴影面积占比;

(2)串联模组在单片遮挡条件下,阴影的遮挡会导致被遮挡电池片的电压下降甚至出现反偏电压,而未遮挡的电池会出现电压升高的现象。遮挡面积越大,电压变化越明显,电池模组功率损失越多;

(3)光伏电池串联模组在受到阴影遮挡时,内部电池的电压变化幅度取决于电池模组中不同电池有效面积的差值。差值越大,变化幅度越大,功率损失越多; 未出现差值时,电压变化幅度很小,功率损失可以忽略。